MIMO多跳簇结构无线传感器网络的路由算法及其能耗研究.docVIP

MIMO多跳簇结构无线传感器网络的路由算法及其能耗研究 　　摘 要：由于分层簇结构协议能有效地解决无线传感器网络的能耗问题，文中针对基于MIMO的多跳簇结构无线传感器网络，提出了一种基于距离矢量的改进路由算法，同时在J-sim仿真平台上进行了相应的仿真，从而证明了改进路由算法的有效性。另外也证明了该系统的节点能耗特点和MIMO技术对降低系统能耗所具有的一定作用，但在低信噪比时其效果不明显。 　　关键词：无线传感器网络；路由算法；LEACH协议；MIMO 　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）09-0057-04 　　0 引 言 　　无线传感器网络是近年无线通信技术的研究热点之一。受体积和成本的限制，能耗问题成为无线传感器网络的难点和关键问题。针对能耗问题，许多学者先后提出了不同的解决方案。其中，W. B. Heinzelman、A. P. Chandrakasan和H. Balakrishman等首先在网络层协议方面提出了适用于无线传感器网络的簇结构分层协议—— LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议[1，2]。他们讨论了簇首的选择算法、簇的形成算法以及基于中心控制的改进协议LEACH-C，并对LEACH协议的能耗模型进行了初步研究。在LEACH协议的基础上，又有不少学者设计了基于分簇结构的多跳路由协议。其中，文献[3]提出了改进LEACH协议—— Multihop-LEACH，它以最近的邻居簇首作为下一跳路由；文献[4]采用了MTE路由算法，并引入冲突避免机制；文献[5]则采用中心控制思想，由基站基于路径损耗进行路由选择。 　　由于无线传感器网络通常工作在恶劣的环境，信道衰落严重，而MIMO技术能很好地对抗多径衰落，因此，MIMO技术在无线传感器网络的应用也备受重视。文献[6-7]研究了STBC（Space-Time Block Code-Encoded）和MIMO技术对无线传感器网络性能的改善，其中文献[6]考虑了合作节点的同步问题，文献[7]研究了最优合作节点数的问题。 　　分层簇结构、多跳路由和MIMO技术都在一定程度上改善了无线传感器网络的性能，因此形成了“跨层设计（Cross-layer Design）”思想，即将网络分层模型中的若干层联合起来综合考虑，使不相邻的层之间也能传递信息，以得到最优的网络性能。文献[8-9]将多跳路由和MIMO技术嵌入LEACH协议进行跨层设计，大大延长了无线传感器网络的生命周期（Life-time）；文献[10]采用半中心控制思想对文献[8-9]的有关算法进行了改进。 　　在研究方法上，目前大多数的研究都是基于Matlab、C语言等通用仿真工具，以网络生命周期为衡量指标，没有充分考虑网络实际工作过程中的相关问题和能量损耗。因此，本文以UCLA（University of California at Los Angeles）提出的SersorSim[11]仿真架构为基础，在J-sim仿真平台实现了一个贴近实际的模拟无线传感器网络系统，并提出了一种基于距离矢量的改进路由算法。在此基础上，研究了多跳路由技术、MIMO技术对改善LEACH协议性能的问题。其方法和结果对于无线传感器网络的协议优化及其应用具有一定的参考价值。 　　1 系统模型与改进路由算法 　　1.1 系统模型 　　系统采用与文献[8-9]基本架构相同的无线传感器网络跨层设计模型，图1所示是结合MIMO技术的多跳LEACH协议工作模型。系统按照LEACH[1-2]协议不断重复簇的重构过程，每次重构称为一个回合。数据传输时，在网络层采用了多跳路由技术，在物理层嵌入了MIMO技术，源节点采集到的数据以多跳MIMO方式传送到基站。簇内采用具有二次衰落特性的高斯白噪声信道，簇间采用非频率选择性慢衰落瑞利信道模型。 　　图1 结合MIMO技术的多跳LEACH协议工作模型 　　假设各节点具有全局唯一的标识ID且已知基站位置，各节点具有相同的初始能量且发射功率可调。系统的工作过程分为一个个回合，每个回合又分为建立阶段和稳定阶段。 　　1.1.1 建立阶段 　　各节点按照LEACH[1，2]协议的分布式算法决定自己在本回合是否成为簇首节点（Cluster Head，CH），各簇首节点用同样大小的发射功率Pout广播一个通告信息（Advertisement Message，ADV）。这里采用非坚持CSMA MAC层协议，ADV包括簇首节点的ID和地理状态信息。如果簇首节点接收到ADV，则将其加入邻居节点列表，用于构建路由表，具体的路由算法将在后面详细说明；如果非簇首节点接收到ADV，则选择接收信号强度最大的